張國軍，鄭麗媛，張 俊

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島125105;2 東南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京211189)

0 引 言

煤炭業(yè)是我國經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，又是事故發(fā)生率極高的行業(yè)，據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國煤礦發(fā)生的重大事故中，70%以上都與瓦斯有關(guān)。因此，提高瓦斯監(jiān)測的質(zhì)量尤為重要。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，煤礦監(jiān)測系統(tǒng)已逐漸由常規(guī)儀表監(jiān)測、地面微機控制，向基于網(wǎng)絡(luò)的遠程監(jiān)控發(fā)展。但目前各煤礦仍存在網(wǎng)絡(luò)化程度較低，缺少統(tǒng)一的技術(shù)標準，通信協(xié)議不兼容等問題［1，2］。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，全力構(gòu)建煤礦安全生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)對提高煤礦信息化水平，促進煤礦安全具有重要意義［3］。

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)“物”上網(wǎng)，它是通過傳感器采集所需信息，并與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，同時具有智能處理能力的巨大網(wǎng)絡(luò)。本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過井下Zig Bee 進行無線組網(wǎng)，通過ARM9 處理器S3C2440 核心處理器接入Internet，采用了C/S 和B/S 相結(jié)合的方式，實現(xiàn)了既能在本地監(jiān)控中心實時監(jiān)控，又能通過任意一臺可以上網(wǎng)的終端，如手機，PAD，PDA 等瀏覽WEB 頁面進行監(jiān)控。

1 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

本監(jiān)控系統(tǒng)主要由井下無線傳感器、井下終端控制板卡、礦服務(wù)器、礦監(jiān)控終端和遠程瀏覽器終端組成，組成框圖如圖1 所示。

瓦斯傳感器獲得瓦斯數(shù)據(jù)，通過Zig Bee 自組網(wǎng)方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄驴刂平K端板卡，控制板卡將數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)發(fā)送至礦服務(wù)器，服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行接收、處理和儲存，同時提供用戶端與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。

1.1 傳感器選擇

1.1.1 瓦斯傳感器設(shè)計

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig 1 Block diagram of system configuration

設(shè)計選用MJC4/3.0L 型催化燃燒元件，工作電壓為(3.0 ±0.1)V，工作電流為(120 ±10)mA。基本電路如圖2所示，采用電橋測量的方法，MJC4/3.0L 與2 個匹配電阻構(gòu)成電橋橋臂，當有瓦斯氣體時，檢測元件電阻升高，電橋輸出電壓升高，且電壓變化與瓦斯體積分數(shù)變化呈正比。

圖2 瓦斯傳感器電路圖Fig 2 Gas sensor circuit

1.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

Zig Bee 技術(shù)是一種近距離、低功耗、低成本的雙向無線通信技術(shù)，非常適合工業(yè)控制領(lǐng)域。每個網(wǎng)絡(luò)可存在254 個節(jié)點，每個節(jié)點間距離可達100 m，一個區(qū)域內(nèi)可存在100 多個網(wǎng)絡(luò)。射頻芯片選擇Zig Bee SoC CC2430，該芯片將所有功能部件集成在一起，不需要另外搭配MCU，從而減小了成本和PCB 面積及設(shè)計復(fù)雜性，提高了可靠性、抗干擾性。

CC2430 集成了 RF 收發(fā)器、8051MCU，128 kB flash，8 kB RAM，ADC，DMA 等，工作頻段為 2.5 GHz，采用低電壓(2.0 ～3.6 V)供電，硬件支持 CSMA/CA 和 RSSI/LQI 功能［4］。

CC2430 的射頻接口采用差分輸出，設(shè)計了一個不平衡變壓器以滿足采用單端不平衡天線時50 Ω 的特性阻抗要求，如圖3 所示。

1.2 井下終端控制板卡設(shè)計

圖3 不平衡變壓器原理圖Fig 3 Principle diagram of unbalanced transformer

該板卡選擇三星公司的ARM9 系列嵌入式芯片S3C2440，Zig Bee 無線模塊通過 UART 接口將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給板卡，板卡再將數(shù)據(jù)通過TCP/IP 協(xié)議，經(jīng)光纜發(fā)送到地面礦服務(wù)器。由于S3C2440 未集成MAC 控制器，選擇DM9000CEP 以太網(wǎng)控制芯片。該芯片集成度高、成本低、全雙工工作方式，支持1/16/32 位數(shù)據(jù)總線，帶有MII 接口與外部 10/100MPHY 芯片相連接，DM9000CEP 通過S16116G 以太網(wǎng)濾波器/變壓器接入網(wǎng)絡(luò)。井下終端板卡硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 井下終端板卡硬件結(jié)構(gòu)圖Fig 4 Hardware structure diagram of underground terminal board

2 系統(tǒng)軟件算法

2.1 Zig Bee 無線組網(wǎng)算法

井下瓦斯傳感器信號通過Zig Bee 無線傳輸，由于井下可能會有數(shù)量眾多的傳感器，必須要考慮避免數(shù)據(jù)發(fā)生沖突。設(shè)計采用免沖突載波檢測多路接入(CSMA/CA)算法，算法中節(jié)點通過競爭方式使用信道，當節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)而信道被占用時，就偵聽信道，直到信道空閑數(shù)據(jù)發(fā)送或放棄發(fā)送，此方式數(shù)據(jù)發(fā)送時延?。?］。當一個節(jié)點準備發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先退避一段時間，退避時間為N 個退避周期，退避周期為固定長度Tback，N 為0 到2BE－1 之間的一個隨機整數(shù)，BE 在初始化程序時賦值。由此可見，每個節(jié)點的退避時間長度是一個范圍有限的隨機數(shù)，可以較大概率地避免沖突的發(fā)生。當退避過程結(jié)束后，如果信道空閑，則節(jié)點發(fā)生數(shù)據(jù);否則，開始下一輪的退避。為避免無休止地進行退避，設(shè)置BE≤15，退避次數(shù)M，當退避次數(shù)大于M 值時，放棄發(fā)送。最大退避時間為

2.2 井下終端板卡軟件設(shè)計

設(shè)計采用嵌入式Windows CE6.0 系統(tǒng)，該系統(tǒng)可移植性強，采用多任務(wù)多線程的工作方式，具有良好的圖形界面，操作簡單方便。使用Platform Builder 軟件，導(dǎo)入廠商提供的BSP 包，根據(jù)系統(tǒng)需要對BSP 包和操作系統(tǒng)內(nèi)核進行適當裁剪和添加，然后完成操作系統(tǒng)的編譯。將生成的NK.bin 和NK.nb0 下載到板卡中，即完成了終端板卡操作系統(tǒng)的定制［6］。

終端板卡的一個重要功能是將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，使用套接字(WinSock)可方便地進行網(wǎng)絡(luò)化開發(fā)。使用Win－Sock 進行網(wǎng)絡(luò)通信，必須先進行初始化，包括定義變量、創(chuàng)建套接字和綁定通信地址:

2.3 服務(wù)器端軟件設(shè)計

井下終端板卡將數(shù)據(jù)發(fā)送到礦服務(wù)器后，服務(wù)器一方面通過數(shù)據(jù)庫(SQL)對數(shù)據(jù)進行接收、處理和儲存，另一方面要通過礦監(jiān)控屏顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)，并允許用戶通過網(wǎng)絡(luò)訪問。

選用Microsoft SQL Serve 數(shù)據(jù)庫平臺，該平臺支持用戶機/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，提供對WEB 的支持，用戶界面圖形化，具有豐富的程序接口［7］。

將數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)主要分為:煤礦基本信息、監(jiān)控人員基本信息、實時監(jiān)控信息、歷史監(jiān)控信息等。其中，實時監(jiān)控數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)如表1 所示。

表1 實時監(jiān)控數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表Tab 1 Structure sheet of real-time monitoring datas

數(shù)據(jù)庫的訪問主要使用ADO.NET 技術(shù)，ADO 是一個COM 動態(tài)庫，在開發(fā)程序前先初始化COM 環(huán)境，通常通過CoInitialize(NULL)函數(shù)來實現(xiàn)初始化;在程序的最后，一般通過代碼CoUninitialize()將COM 環(huán)境釋放。在完成COM環(huán)境初始化之后，就可以使用ADO 中Connection 對象的Open 方法來連接數(shù)據(jù)庫。成功連接數(shù)據(jù)庫之后，即可通過指針方便地對數(shù)據(jù)表進行操作。

2.4 用戶訪問軟件設(shè)計

C/S 和B/S 是當今兩大主流技術(shù)構(gòu)架，C/S(Client/Server)結(jié)構(gòu)，即客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，將任務(wù)分配到兩端來實現(xiàn)，一般限于局域網(wǎng)，需要開發(fā)相應(yīng)的客戶端軟件。本設(shè)計中，煤礦監(jiān)控中心基于PC 機監(jiān)控軟件采用此構(gòu)架完成。但是該客戶端軟件只能在礦監(jiān)控中心使用，監(jiān)控人員不能隨時隨地查看數(shù)據(jù)。B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)，即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)中，用戶通過任何一個可上網(wǎng)的終端就可瀏覽WEB 界面隨時查看數(shù)據(jù)，一般無需任何用戶程序，其他事件都在服務(wù)器端實現(xiàn)，減少了客戶端的任務(wù)，易于在手機、PDA 等移動設(shè)備上實現(xiàn)，其缺點是服務(wù)器負擔較重［8］。根據(jù)煤礦瓦斯監(jiān)控的需求，僅采用任何一種結(jié)構(gòu)都是存在缺項的，因此，本設(shè)計采用C/S 和B/S 回混合模式。

在客戶端程序設(shè)計中，通過 ADO.NET，使用.NET Framework 提供的4 個核心對象對數(shù)據(jù)庫進行訪問操作。其中，Connection 連接對象，對數(shù)據(jù)源訪問;Command 命令對象，對數(shù)據(jù)源進行更新、插入和刪除等;DataReader 數(shù)據(jù)庫讀取對象，從數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù);DataAdapter 將DataSet 更新至數(shù)據(jù)庫［9］。

在網(wǎng)頁設(shè)計中，前端采用ASP.NET 開發(fā)頁面，后端采用ADO.NET 操縱數(shù)據(jù)庫。根據(jù)功能要求，網(wǎng)站主要分為登陸界面、密碼修改界面、瓦斯氣體檢測界面、歷史數(shù)據(jù)等界面。

3 系統(tǒng)測試

在井下終端控制板卡設(shè)置好IP 地址并連入網(wǎng)絡(luò)，將PC機作為服務(wù)器連接如網(wǎng)絡(luò)，在打開客戶端應(yīng)用程序測試結(jié)果如表2 所示。通過另外一臺筆記本登入WEB 頁面，輸入IP 地址，輸入用戶名和密碼后，可進入控制界面。

表2 客戶端應(yīng)用程序測試Tab 2 Test result of client end application program

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了基于B/S和C/S的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，從硬件軟件兩方面詳細介紹了實現(xiàn)過程，測試結(jié)果表明:系統(tǒng)可以分別通過客戶端軟件和IE 瀏覽器對瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)控，克服了單一采用B/S 或C/S 系統(tǒng)的缺點，具有廣闊的應(yīng)用價值和推廣前景。

［1］ 楊景輝.基于Zig Bee 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)研究［D］.西安:西安科技大學(xué)，2011.

［2］ 楊金壯.基于ARM 的煤礦安全系統(tǒng)設(shè)計［D］.南京:南京理工大學(xué)，2009.

［3］ 孫繼平.煤礦物聯(lián)網(wǎng)特點與關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.煤炭學(xué)報，2011，36(1):167 －171.

［4］ 安 璐，丁恩杰，李曙俏.基于Zig Bee 的采空區(qū)無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，31(4):96 －98.

［5］ 馬 鋼.基于Zig Bee 的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.大連:大連理工大學(xué)，2008.

［6］ 余 名，范書瑞，曾祥燁.ARM9 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［7］ 唐學(xué)忠，李亦飛.SQL Server 2005 數(shù)據(jù)庫教程［M］.2 版.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［8］ 邵彥斌.基于B/S 和C/S 的煤礦數(shù)字化瓦斯檢測遠程聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.南昌:南昌大學(xué)，2009.

［9］ 張 俊.基于物聯(lián)網(wǎng)的有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究［D］.南京:東南大學(xué)，2012.